文|史这样滴
编辑|史这样滴
简介石墨烯是一种二维碳同素异形体，具有六角形蜂窝纳米结构，其规模如此之小，以至于可视化需要280.1亿倍的放大倍数。
自发现以来，人们对这种新材料产生了巨大的兴趣，研究投资和出版物逐年增加，导致其独特性质的量化。
石墨烯是有史以来最薄、最强的材料，其面内碳键比金刚石中的四面体碳键更强，此外它非常灵活，能够拉伸到其原始状态的20%。
它具有高导热性和固有迁移率，分别高于铜和硅，最后它是透明的，即使是最小的气态颗粒也不透水。
由于其非凡的特性，发现了石墨烯在许多领域的应用，如生物医学，太阳能，传感器，超导体和结构纳米材料，预计在不久的将来将影响更多的领域。
不幸的是，由于缺乏高标准和高数量的实施和制备，将石墨烯应用于这些领域存在一个霸道的问题。
到目前为止，只有少数关于石墨烯影响响应的研究，首次展示了其能量吸收能力，他们使用先进的激光诱导弹丸。
由于石墨烯能够离域冲击引起的应力，因此发现其多层石墨烯试样的穿透能量相对比钢高8至12倍。
他们将其归因于材料的延展性，在撞击过程中会产生相对较宽的穿透孔，他们还发现，不在撞击区域附近的材料会吸收来自撞击器的动能，但这会导致高动态拉伸应力。
因此在如此高的冲击速度下，撞击器在撞击过程中会经历更高的接触面积，比任何其他材料都要大。
他们得出的结论是，他们的撞击研究揭示了石墨烯极高的声速，这就是为什么集中应力的离域如此有效的原因。此外该材料表现出高强度和刚度，以及相对各向异性的结构，证实了先前对该材料机械性能的研究结果。
分析之后进行了许多数值和分析研究，分子动力学（MD）模拟和有限元法（FEM）模拟研究了石墨烯片的横向冲击行为，并将结果与弹簧质量系统的分析模型进行了比较。
发现所有三个模型在面板偏转方面都匹配，他们发现，对于相对较小的撞击器质量，边界条件不会影响结果，并且撞击面板不需要具有有限尺寸。
还成功地表明，撞击器的变形会降低最大挠度，因为能量被撞击器的局部变形部分吸收，最后撞针速度的增加会导致最大挠度的增加，直到发生断裂，一年后，Yoon等人也报告了类似的发现。
特别是在不同层数（单层或多层）的石墨烯样品的比能量吸收方面，他们使用分子动力学方法定义了缩放定律，以准确确定石墨烯层数对能量吸收的影响，并发现实验结果与数值结果之间具有极好的一致性，从而显示了缩放的重要性。
同年进行的另一项研究研究了，弹道对多达25层的多层石墨烯模型的破坏机制，他们发现发生了多种故障模式的组合，类似于CFRP复合故障。
发现面板的顶层因碎裂或堵塞而发生局部失效，而对于底层则相反，由于花瓣的形成而发生全局失效。
他们还通过比较圆柱形和球形撞击器来量化撞击器形状的影响，在一定数量的石墨烯层（10-15层）之上，圆柱形撞击器能够以较低的速度穿透。
最近，关于石墨烯冲击响应的实验和数值研究产生了许多分析研究，这是由于以前的分析模型无法考虑每种振动模式的非局部振动。
使用非局部弹性理论推导出对单层石墨烯片的冲击运动方程，这意味着假设石墨烯片是一个薄板。
他们还推导出了一个接触定律来定义作用在面板和撞击器之间的力，类似于以前的方法，即近似范德华力的数学函数。尽管他们的分析模型存在许多差异和假设，但冲击响应结果与分子动力学模拟一致。
从对石墨烯最新技术的回顾中，人们可以看到缺乏宏观研究，肉眼清晰可见的物体的尺度，许多记录纯石墨烯力学性能的研究论文，无论是单层还是多层，都只关注纳米或微米尺度的石墨烯。
尽管这种材料不能生产到所需的尺寸，但全球对石墨烯的研究工作表明，我们将在未来二十年内实现这一目标，因此确定宏观尺度石墨烯的结构响应至关重要。
涉及通过数值手段对宏观纯石墨烯面板影响的动态力学分析，它的性能与铝和CFRP面板形成鲜明对比，具有一系列冲击能量，通过使用动态显式求解器ABAQUS和Ls-Dyna以及MATLAB中的多范式计算环境进行分析。
在先前发表的研究中，石墨烯从未在宏观尺度上进行分析建模，由于这些分析基于纳米压痕，因此无法缩放，因为接触力历史是二维杨氏模量的函数。
因此将另一种方法应用于弹性石墨烯材料模型，以验证石墨烯的数值模型，解析模型的理论公式最初由惠特尼和帕加诺提出，惠特尼也使用一阶剪切变形理论进行了描述。
与复合材料相反，石墨烯材料被认为是各向同性的，因为以前的研究表明纵向和横向杨氏模量之间只有微小的差异。
所有其他参数和假设仍然适用于复合模型中的石墨烯模型：胡克定律，整个面板的恒定厚度，忽略身体力，面板和撞击器的整体几何形状，以及简单支撑的面板边缘。
撞击器和面板的数值模型在ABAQUS中显式建模，该面板被建模为具有降低集成度（SC8R）、简单支撑边缘和尺寸等于150×150×1mm的连续体壳。
撞击器和面板表面之间分配的相互作用属性在行为上是切向和正常的，切向行为是无摩擦的，而正常行为包括等于4.39×10的指定接触刚度10N/m。
撞击器被建模为具有降低积分（C3D3R）和8毫米直径的70-D可变形实体，最后使用预定义的速度场输入冲击速度。
在石墨烯面板撞击的分析和数值模型中，对撞击器施加10J的冲击能量，导致冲击速度为3.8m/s。
接触持续时间的误差大于峰值接触力的误差，数值模型中的接触持续时间延长14%，分析模型中的峰值接触力低2%。
可以看出，由于接触持续时间较短，解析模型比数值模型更硬，全局刚度的差异是由于两个模型之间复杂性的固有差异。
然而对于相对较低的误差，特别是峰值接触力，分析模型的简单性有利于更复杂的模型，否则可以更准确地预测接触历史。
对石墨烯面板影响的分析模型高估了整体刚度，从而缩短了接触时间，然而石墨烯比CFRP更硬，因为发现石墨烯产生更高的峰值接触力和更短的接触持续时间。
结果发现CFRP面板的接触持续时间为5.3ms，峰值接触力为3.4kN，石墨烯面板为3.6ms和5.3kN。
此外石墨烯面板的最大挠度为2.5mm，几乎是CFRP面板的一半，显示了材料刚度的差异，最后由于石墨烯的分析模型提供了与数值模型密切相关的接触力历史，因此数值模型被认为是有效的。
对石墨烯面板进行冲击建模的方法的选择，取决于已发表文献中可用的机械性能，确定材料各向异性特性的研究。
尚未进行所需的测试，来确定以各向异性方式模拟材料所需的各种塑性和失效参数，例如显式求解器中的哈希损伤标准所要求的参数，因此假设石墨烯面板具有各向同性。
因此材料模型与应变速率效应无关，发现的原始应力-应变关系，以及LS-Dyna中使用的简化关系，其中突出显示了弹性区域，塑性区域和失效点。
请注意，假设石墨烯模型仅在纵向模式下考虑，因此纵向模式的应力应变关系用于材料建模，而横向替代方案被忽略。
烯的破坏强度为202GPa，破坏应变为0.404，该面板在LS-Dyna中使用具有默认配方的标准壳体截面建模，其几何形状为150×150×3mm，厚度为五个集成点。
钢制冲击器建模为具有刚性材料模型（MAT20）的实体截面，此外撞击器具有直径为25毫米的球形几何形状。
面板的边缘得到简单的支撑，并使用节点到表面调节来定义接触，其中面板的节点（从属）被功能化，以便与撞击器的表面（主）接触。
默认情况下，一旦特定元素达到失效应变，就会通过删除元素在数值模型中发生失效，此失效定义被“绑定节点故障”约束覆盖。
这将导致面板的壳模型，其中相邻元素不像往常那样在公共位置具有合并节点，绑定节点失效约束有效地连接壳单元的公共节点，一旦达到失效应变，就可以沿着这些单元的侧面进行实际断裂。
为了提供石墨烯的准确比较，需要一个具有渐进破坏（包括层内破坏和分层）的复合模型，这一点很重要，因为它使模型能够反映不同失效模式之间相互作用的影响，从而为冲击等动态场景的全局结构响应提供了一种可靠的方法。
众所周知，基于连续损伤力学（CDM）的模型在预测复合板失效方面最准确，然而这些研究没有考虑分层效应，导致复合板的表示不准确。
许多研究项目已经研究了使用内聚区建模将分层纳入，并发现它成功地代表了分层的起始和传播。
更具体地说，通过将内聚行为定义为，相邻表面之间的相互作用属性来建模的分层，已知可以成功工作。
CDM与内聚区建模相结合，产生了一个精确的数值模型，用于模拟分层、损伤的起源和扩展。
他们的方法在这里用于开发CFRP的数值模型，以便与石墨烯进行比较，唯一的区别是使用内聚接触而不是内聚元素，以便获得计算更实惠的模型。
该面板有四个独立的连续壳子层压板（SC8R），代表四组6层层中的每一层，换句话说，第一个连续壳层压板具有6层复合叠层功能，每个层角等于0°，然后将相同的方法应用于接下来的三个子层压板，改变层叠角度以反映全局叠层。
面板的几何形状反映了边缘尺寸为150×150毫米的石墨烯模型2厚度为3毫米，由于单层厚度为0.125毫米，因此每个子层压板的厚度为0.75毫米。
钢制冲击器建模为直径为3mm的刚体（R4D25），默认的切向和法向相互作用属性是全局分配的，内聚接触单独分配给每个子层压板之间的三个界面。
CFRP的机械性能以及与哈希损伤模型相关的性能可以找到s1吨，s1c等，是材料强度参数;G1吨，丙，G1c，c等。
断裂韧性参数中的每一个都与单个失效机制有关，η是避免仿真运行期间收敛问题所需的粘度系数。
总结了内聚接触的分层起始和扩展参数，Kz，K中兴和K齐惩罚刚度系数必须足够高，才能抵消子层压板之间界面中不必要的弹性变形。
σz是面外法向强度;τXY和τ齐是面内剪切强度;G集成电路，G国际工业体系和G三，是通过实验获得的模式I，II和III临界断裂韧性值，并且具有指数软化。
应用了基于幂律的混合模式行为规律，最后内聚粘度与哈希损伤模型的值相同。
参考文献：
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Novoselov，K.S.，Geim，A.K.，Morozov，S.V.，etal.（2004）原子薄碳膜中的电场效应。科学，306，666-669
Mohan，V.B.，Lau，K.T.，Hui，D.和Bhattacharyya，D.（2018）石墨烯基材料及其复合材料：生产，应用和产品限制的回顾。复合材料B部分：工程，142，200-220
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